本校創立於民國三十年四月，初為桃園家政女子學校。後更名為桃園農業實踐學校。民國三十四年台灣光復，是年十一月，新竹州接管委員會派尤見義先生為本校校長，翌年四月，遵照我國學制成立初級中學，改名為新竹縣立桃園初級中學。三十七年八月尤校長他調，十月派葉燉煌先生繼任；三十九年改派曹沛滋先生為校長，同年因行政區域調整，本校又易名為桃園縣立桃園初級中學。四十年八月奉准試辦高中，四十一年八月得以正式升格為完全中學，校名再度改為桃園縣立桃園中學，同時設立大園分校，四十二年八月大園分校獨立。四十三年八月本校改隸台灣省政府，定名為省立桃園中學。五十四年曹校長奉准退休，省府改派徐作霖先生接任；六十七年徐校長退休由馮堯春先生接任；七十四年八月馮校長榮調省立桃園農工職校，由陳峰津先生接任；八十一年二月陳校長榮調省立中壢高商，教育廳調派台南市教育局長程為山先生接掌本校；八十七年八月程校長榮調省立武陵高中，由許校長健夫接任；八十九年二月一日改隸教育部，從此定名為國立桃園高級中學。九十五年許校長退休，由匡格非校長接任，九十九年八月匡校長榮調國立豐原高中，由林煥周校長接任迄今。
本校光復前原為女子學校，校址位於中山路，雖因該地面積狹小、發展受限，光復後乃另闢成功路校區為本部，男女兼收；原中山路校區則改為分部。民國三十八年僅有初中學生十二班，男女生合計約五百人，改制為省立中學後校舍逐漸擴充，班級學生人數亦逐漸增加，五十六學年度初、高中合計五十八班，學生人數逾三千人。唯自五十七年實施九年國民義務教育，在省辦高中、縣辦國中的政策下，本校初中部於五十九年結束，乃更名為省立桃園高級中學，但因學生分別在相距三公里的校區上課，教職員工兩地奔走，諸多不便，經過多年的協商，終於在民國七十九年八月奉教育廳核示裁併分部，結束了四十餘年的一校兩區制，使人力、物力能夠集中運用，對本校的發展大有助益。八十二學年度起增設舞蹈實驗班；八十八學年度起增設體育班，目前有普通班六十班、舞蹈班三班、體育班三班，全校共計六十六班，學生約二千八百多名。
本校緊鄰虎頭山公園及孔廟，依山傍水，環境優雅，創校以來，在歷任校長銳意經營下，不斷創新進步，有計畫的推動各項建設並積極充實教學設備，激勵教學熱忱，造就無數地方子弟服務社會人群，廣獲佳評。本校以實施全人教育為目標，無論在教師教學品質、學生人格及校園師生互動方面，均以全方位的思考及實踐，秉持「誠愛勤樸」校訓，期望培育出五育兼備的現代公民。
